一作解读|MolBioEvo:小麦属异源多倍化过程中的核质协同进化研究

在同倍体以及多倍化水平发生的杂交过程，是物种形成的重要机制。杂交过程中，不同的父本和母本核基因组被整合到同一个细胞核中，但却仅有单系的细胞器基因组存在与杂交细胞核外。因此，杂交过程需要克服两个潜在挑战：（1）在通常仅涉及母方细胞质基因组的情况下，由核基因组合并引起的细胞核化学计量失衡；（2）来自核基因组和细胞质基因组的嵌合蛋白复合物内不同亚基之间的不兼容性。相关现象已在同倍体（二倍体）杂交植物的早期阶段（例如细胞质雄性不育和Rf等位基因的核修复）、物种形成和进化过程中进行了广泛研究；而在多倍化过程中的核质协同的普遍性和作用近年来也备受关注。

 

核质协同研究中最常使用的蛋白质模型是由核编码蛋白和细胞质编码蛋白组成成的酶复合物（CECs），其中最经典的就是Rubisco（核糖1,5-双磷酸羧化酶/加氧酶）复合酶，它由大小两种蛋白亚基组成(包括大亚基LSU和小亚基SSU)。其中，大亚基LSU由叶绿体基因rbcL编码，而小亚基SSU由核基因rbcS编码。翻译后的两种亚基在细胞器叶绿体中组合成完整的Rubisco全酶，在植物光合作用中起着重要的作用。核编码的蛋白进入细胞器的过程，是一个复杂的蛋白分选、靶向和易位过程，这通常需要称为易位子(Translocon)的寡聚膜蛋白复合物将核编码蛋白识别和易位至细胞器，而易位子大多数也是由细胞核编码的胞质靶向蛋白（CTPs）。

 

课题组前期使用Triticum/Aegilops复合体系中的二倍体D基因组谱系对HHS的细胞核进化反应进行了全基因组研究。研究揭示了编码CECs和CTPs亚基的核基因偏向性保留母方亲本拷贝或母方拷贝的SNPs，这暗示着核质协同参与植物同倍性杂交成种的重要功能。作为相应工作的后续延续，本研究利用异源四倍体小麦及其可能的二倍体亲本供体和异源六倍体小麦进行rbcS基因家族的组成鉴定、系统进化关系分析和基因转换分析（图1），结合转录组数据和已发表的全球范围的普通六倍体小麦中国春重测序数据进行小麦两次多倍化过程前后的核质协同模式分析（图2）。

 

 

图1.小麦rbcS基因的组成及系统聚类关系（a）； 发生gene conversion基因的系统聚类关系举例（b）；

图2. 六倍体小麦rbcS基因及其蛋白（SSUs）通过易位子(Translocon)进入叶绿体。正常SSU1-SSU2以及SSU4-SSU9转运进入叶绿体的模式（a）；SSU3D通过父方-母方的基因转换（Paternal-to-maternal gene conversion），转变成偏像母方的SSU3D，后者通过TOC90A和TOC90B进入叶绿体（b）。

研究发现异源六倍体小麦D亚基因组rbcS3基因(简称rbcS3D)转运肽区发生特异性的基因组间父本向母本（rbcS3B）基因转换，使得rbcS3D在异源六倍体小麦中编码的转运肽（SSU3D）转变成与母本rbcS3B编码的转运肽（SSU3B）类似的性状，帮助SSU3D基因完成跨膜转运过程（图2）；更为有趣的是，异源四倍体小麦中没有发现类似的基因转换。本研究确定了膜易位子TOC90D和TOC90B亚基之间的差异和rbcS3D基因编码的Rubisco小亚基（简称SSU3D）与TOC90B的相互作用，是SSU3D靶向进入六倍体小麦叶绿体的基础；此外，本研究也暗示了六倍体小麦形成的早期，具有偏像母方SSU3D的个体在后续的自然选择中可能具有优势而被固定在目前的六倍体群体中。本研究以多倍体小麦为研究体系，首次探讨了两次多倍化前后，细胞核和细胞器共编码的CECs，在向细胞器进行蛋白转运过程中的核质协同模式的变化，为多倍化背景下的核质协同进化研究提供了可借鉴的研究新方向。

2020年06月30日，该研究成果（doi：10.1093/molbev/msaa158）在线发表在Molecular Biology and Evolution上，论文题目是“Coevolution in hybrid genomes: nuclear-encoded rubisco small subunits and their plastid-targeting translocons accompanying sequential allopolyploidy events in Triticum”。东北师范大学博士生李长平和王晓飞为该论文的共同第一作者，东北师范大学宫磊教授为该论文的通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金项目和国家重点研究计划等项目的资助。